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由于载人航天投入大、风险非常高,因此,为了对飞船在轨交会对接等关键环节有所突破,并有效掌握载人航天技术,在地面进行交会对接过程的模拟是非常必要的。 在进行空间对接动力学模拟的综合试验时,由于动力学基频和六自由度并联机器人频宽之间的制约关系,使对接装置的刚性连接有很大困难。特别是在强制校正和拉紧阶段,系统可能会产生振荡,甚至不稳定。因此需要研究大回路动力学基本参数配置和六自由度并联机器人特性之间的关系;研究空间对接动力学基频与六自由度并联机器人频率特性之间的关系;研究基于动力学的大回路控制系统所能实现的试验内容。 为克服对接框的刚性连接对空间对接动力学模拟造成的困难,有效模拟空间对接过程的强制校正阶段,即强制推出和拉近阶段,本文提出采用力环包容位置环的串级控制结构,以及用以研究六自由度并联机器人在推拉作用力下做顺应运动的柔顺力控制策略。研究内容主要包括以下几个方面: (1)并联机器人的运动学和动力学研究。介绍了一种快速、高效的并联机器人位置正解数值算法——牛顿-泰勒法。综合利用牛顿一欧拉法、拉格朗日法和凯恩法对并联机器人进行动力学建模。将动力学模型归结为机器人领域常用的紧凑动力学方程形式,并孝虑液压缸惯性力影响,建立起六自由度并联机器人的精确动力学模型。 (2)液压驱动六自由度并联机器人的位姿控制研究。对单通道液压伺服系统进行建模,综合并联机器人的运动学和动力学模型,构建液压驱动并联机器人的整体模型,并对并联机器人位姿控制进行仿真分析,为力控制打下良好基础。 (3)根据大回路动力学基频、基本参数配置和六自由度并联机器人特性之间的关系,明确基于动力学的控制模式所能胜任的试验内容。进而采用柔顺力控制策略来完成空间对接强制校正全过程的模拟,并用实验验证了所得结论。 (4)提出并联机器人柔顺力控制系统的结构,研究了经典柔顺力控制策略和鲁棒柔顺力控制策略。用“综合理论设计出鲁棒柔顺力控制器,详细给出鲁棒柔顺力控制回路中的加权函数的选取方法。用μ分析理论对经典和鲁棒力控制系统进行分析比较,得出所设计鲁棒力控制器具有鲁棒性好的结论。给出了匀速牵引下,使用经典和鲁棒控制器时的仿真结果。并用仿真考察了位置环具有干扰时各控制器的性能。 (5)应用快速控制原型软件开发模式开发柔顺力控制实验实时控制系统,研究了并联机器人柔顺力控制实验。给出利用经典力控制器和鲁棒力控制器的实验结果,并对其进行分析比较,说明基于“理论所设计的鲁棒力控制器比经典控制器具有好的鲁棒性能和鲁棒稳定性。